（电力系统及其自动化专业论文）基于labview的电力系统过电压监测研究.pdf

西华大学硕士学位论文 o v e r - v o l t a g ea n a l y s i sb a s e d o nl a b v i e w t h es p e c i a l t yo f p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n m a s t e rw a n gn a ih u it u t o rl ij i a nm i n gd a iy us o n g p o w e rs y s t e mo v e r - v o l t a g ei sas u b j e c tc l o s e l yi nc o r r e l a t i o nw i t he q u i p m e n t i n s u l a t i o n o v e r - v o l t a g ec o n d i t i o ns u f f e r i n go ne q u i p m e n t sc a l li n d i r e c t l yi n f l e c t w h e t h e ri n s u l a t i o nc o o p e r a t i o oi sr e a s o n a b l e p o w e re q u i p m e n to n l i n em o n i t o r i n g t e c h n o l o g yr e c e n t l yd e v e l o p ss or a p i d l y , a n di t i san e wt e c h n o l o g yt h a ts p a n s m u l t i - d i s c i p l i n a r ya n di sa p p l i e de x t e n s i v e l yi nt h ep o w e rs y s t e m h o w e v e rm o s to f o s c i l l o s c o p e sf a i lt om o n i t o ro v e r - v o l t a g ew a v e f o r mf o rt h e i rf r e q u e n c yd e s p o n d e n c e s ot h a tt h e yc a nn o tb e e nu s e dt og e tr e a lc o n d i t i o n s oi t sn e c e s s a r yt od e v e l o p h i g h l yp e r f o r m i n ga n da u t o m a t i o ne q u i p m e n tt oi m p l e m e n tr e c o r d i n gc o m p l e t e l y a n de x a c t l yr e a lc h a n g i n gp r o c e s so f v o l t a g ew h e nd e f a u l t sh a p p e n ，a tt h es a m et i m e ， s a v i n gw a v e f o r m sa n ds e v e r a lp a r a m e t e r si no r d e rt ok n o wc o n d i t i o na tt h a tt i m ea n d a f f e c t i o nt o p o w e rs y s t e mw h i c hc a na f f o r ds o m ea c c u r a t ed a t u mf o rs c i e n t i f i c r e s e a r c ha n do p e r a t i o np e r s o n n e lt oa n a l y z er e a s o n sf o rf a u l ta n dt oa f f o r dr e l i a b l e p r o o fw h e t h e rp o w e rs y s t e mi ss a f e t h i sp a p e ri st a k e st h o s e d a t e sw h i c hb eg o tf r o mf i e l de n g i n e e r i n ga st h e r e s e a r c ho b j e c t t h ea n a l y s i ss y s t e mo fo v e r - v o l t a g ed a t e sf r o me l e c t r i cp o w e r s y s t e mb a s e do nl a b v i e wt e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e da l s o t ob e g i n w i t h t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ei m p o r t a n c eo fo v e r - v o l t a g ea n a l y s i ss y s t e mi ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m t h ee x i s t i n gr e s e a r c hs t a t u si nt h ew o r l d ，t h ed e v e l o p i n gt r e n d sa n d t h e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s f o r o v e r - v o l t a g ea n a l y s i s a r ei n t r o d u c e d i n d e t a i l s l a b v i e wp r o g r a m m i n gl a n g u a g ew h i c hi su s e di nt h ep a p e ri ss i m p l y i n t r o d u c e d t h ea u t h o rp r e f e r s “t r 2 0 0 0 一bt r a n s i e n to v e r - v o l t a g em o n i t o r i n ga n d r e c o r d i n gs y s t e m d e v e l o p e db ys i c h u a np o w e rt r i a li n s t i t u t e ，t oo b t a i na n a l y s i s i i 西华大学硕士学位论文 d a t a t h ea u t h o rd e v e l o pap r o g r a mt oa n a l y z et h i sd a t ab yl a b v i e w t h ep r o g r a m c a ng i v ee n o u g ha n a l y s e sf u n c t i o n a tt h eo v e ro ft h ep a r t ，t h ea u t h o rq u o t e ss o m e c l a s s i c a la n df r e q u e n to v e r - v o l t a g ew a v e f o r m sa n da n a l y s i st h e m b ya n a l y s i ss o m e c l a s s i c a la n df r e q u e n to v e r - v o l t a g ew a v e f o r m s ，t h et y p ea n dr e a s o no fo v e r - v o l t a g e c a l lb eo b t a i n e d t h er e s u l to fo v e r - v o l t a g ea n a l y s i sc a nh a v ea l li m p o r t a n ti n f l u e n c e o nt h er e s e a r c h i n ga n dd e c i d i n gi n s u l a t ei n t e n s i t yo fe l e c t r i c i n s t a l l a t i o n ，r e p a i r c y c l e ，e q u i p m e n ti m p r o v e d , o v e r - v o l t a g e se f f e c to np o w e rs y s t e ma n dp r e v e n t i n go f o v e r - v o l t a g e k e yw o r d ：o v e r - v o l t a g e ，m o n i t o r i n go n - l i n e ，w a v e f o r ma n a l y s i s i i i 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别标注和参考文献相关内容之外，论文中不包含其它人 已经发表的或撰写的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的对本研究所作的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归 西华大学所有，特此声明。 作者签字：弘会年多月2 - 日 导师签字：f 亨年石月夕 日 绪；秭 一。 l 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 电力系统运行的可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量，尽管停电原因 很多，但绝缘的击穿是造成停电的主要原因之一。因此电力系统运行的可靠性 在很大程度上取决于设备的绝缘水平及工作状况。剀 电气设备的绝缘长期处于工作电压的作用下，在运行过程中，电压还可能 升高而超过工作电压( 即内过电压) ，其电源是系统中发电机的电动势，常见 的原因是正常或事故操作会在系统中引起的振荡过程或谐振现象。除了内部过 电压外，电气设备的绝缘还有可能受到雷电过电压的作用，其产生原因是雷击 于电气设备或沿导线传播作用于电气设备。因此在电力系统中对过电压的监测 和分析有着极其重要的意义，它可分析过电压发生发展过程，为电网的安全运 行提供可靠和准确的信息：还可为处理事故，提出改进措施提供重要参考依据。 同时，也为电器制造厂改进产品及研制新产品提供了实际有利的运行资料。 另一方面，电力系统过电压研究是发展高压和超高压电网所必需研究的重 要课题，它不仅影响变压器、断路器、输电线路等电力设备绝缘强度的合理设 计，而且还直接关系到电力系统能否安全可靠地运行。为了满足生产和人民生 活的需要，电力系统电压等级不断提高；电力系统经常都会受到雷击过电压及 操作过电压的侵袭，而且现阶段过电压倍数有升高的趋向，为此我们开展这方 面的研究工作。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对过电压的研究做了不少工作，总的概括起来有以下几种方法： 一、实验室物理模拟研究 在实验室中根据过电压的产生机理以及实际的系统运行情况，来进行物理 模拟。目前在实验室中可以模拟雷电冲击过电压以及操作过电压等。 这种方法对过电压的研究做出了巨大的贡献。但是这种方法也有它的局限 西华大学硕士学位论文 性，因为实际情况是错综复杂的，对过电压的影响因素很多，同时有可能几种 过电压交织在一起。因此实验室模拟不可能完全真实的模拟现场过电压。另外， 试验设备投资比较昂贵，要扩大模拟规模有一定困难。 二、计算机仿真计算 计算机仿真就是根据电力系统情况来建造一个数学模型，在计算机上进行 实验和研究，以达到对真实的过电压进行计算研究的目的。这种方法能够克服 实验室模拟的某些物理局限性，近年来得到广泛的发展，比如e m p t 暂态过电 压计算等软件等。 三、在线监测 国内对过电压在线监测装置的研究和开发是2 0 世纪9 0 年代才开始的，但 其发展速度较快，它克服了以上两种方法的局限性，可以记录到真实可靠的过 电压波形。主要是现场采集过电压数据，然后通过数据通讯，将数据传输给计 算机，再通过系统软件，对过电压数据进行分析和处理。目前，国内类似的装 置也有不少，其特点将在第三章详细论述。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容就是对从电力系统现场收集过来的过电压数据进行 分析，通过所编写的l a b v i e w 过电压分析软件，可以清楚地显示出过电压的 波形，能够得知过电压的幅值大小、持续时间以及上升陡度等参数，从而可以 大致地判断出该变电站经常受到哪些过电压的袭击，为电力系统安全运行提供 了科学的监测依据，具体工作为： 1 、对电力系统的过电压进行了分类，即外部过电压和内部过电压，并对各种 过电压的特点进行了详细的叙述。 2 、对四川电力研究院研制的t r 2 0 0 0 过电压在线监测装置的组成及硬件结构 和软件设计作了简单的介绍。 3 、针对t r 2 0 0 0 过电压在线监测装置，以l a b v i e w 为操作平台编制了过电 压分析软件，对采集到的过电压数据给以实时的波形显示，能够对过电压进行 时域和频域两种分析。在时域分析中，能够求得特征值包括最大值、最小值、 最大上升陡度、平均值和标准方差。在频域分析中，主要给出了f f t 变换、功 2 西华大学硕士学位论文 率谱分析、联合时频分析、自相关分析和谐波分析。 西华大学硕士学位论文 2 电力系统过电压与绝缘配合概述 电力系统过电压是电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电 压升高。过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐 受着工作电压，同时还必须能承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统 安全可靠地运行。电力系统中电路状态和电磁状态的突然变化是产生过电压的 根本原因。 2 1 过电压类型综述【1 】【3 】 电力系统中的过电压类多种多样的。它的波形、电压幅值、持续时间以及 产生原因都各不相同，但是就其产生根源来说，过电压分为外部过电压和内部 过电压两大类型。 外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，持续时间极短，约在5 0 - - - 8 0 z v 之间，最大雷电流的幅值达到2 0 0 k a 以上，具有脉冲的特性，称为雷电冲击波。 外部过电压是由于雷云放电引起电网电压的不正常升高，包括直击雷过电压、 感应雷过电压和雷电波侵入过电压；直击雷过电压是雷云直接对设备或导线放 电引起的电网电压升高。感应雷过电压是设备或导线附近几米至几百米发生雷 电放电时，在设备或导线上由于电磁感应而产生的短时过电压；雷电波入侵过 电压是线路的导线上受到雷电直击或产生感应时，雷电波沿着导线向发电厂升 压站或变电站传递，从而使发电厂或变电站的母线上、设备上出现的过电压。 雷电过电压的特点是，持续时间短，幅值大，危害性大。 内部过电压是电力系统内部的能量转化或传递引起的，由于内部过电压的 能量来自电网本身，所以，它的幅值和电网的工频相电压基本上成正比例，通 常把过电压的幅值与电网该处最大运行相电压幅值的比值称为内过电压倍数。 由于产生的原因不同，内部过电压可分为：暂时过电压和操作过电压，其中暂 时过电压又分为工频电压升高和谐振过电压，一般操作过电压的持续时间较短， 而工频电压升高和谐振过电压的持续时间要长得多。因操作或故障引起暂态电 压升高，称操作过电压；因系统的电感电容参数配合不当，出现各种持续时间 4 西华大学硕士学位论文 很长的谐振现象及其电压升高，称为谐振过电压；电力系统发生单相接地故障 或负荷突然甩去等原因所引起的短时超过正常工作电压的工频电压升高，称为 工频过电压。 图2 1 为各过电压类型及相互关系： 过电压 外部过电压储电过电压) 感应雷过电压 f 直击雷过电压 l 流动波过电压 内部过电压 暂时过电压 f 空载长线路电容效应( 费兰梯效应) 工频电压升高 不对称短路接地 i 甩负荷 f 线性谐振过电压 谐振过电压 铁磁谐振过电压 l 参数谐振过电压 单相间歇电弧接地过电压 切断空载变压器过电压 操作过电压 切除空载线路过电压 空载线路合闸、重合闸过电压 解列过电压 f i g u r e 2 1t y p ea n dr e l a t i o no fo v e r v o l t a g e 图2 i 过电压类型及关系 2 2 外部过电压 雷电是一种自然现象，是指雷云放电时所表现出的雷鸣电闪，即带电荷的 雷云( 雷电云) 与大地之间或带异号电荷雷云之间的气体放电。从雷电放电所 造成的后果来讲，人们更关心雷云与大地之间的放电，这将对人、动物、建筑 物、电气设备、通讯网络等造成的破坏很大，甚至造成巨大的经济损失。雷电 过电压分为直击雷过电压、感应雷过电压和流动波过电压。 西华大学硕士学位论文 2 2 1 直击雷过电压 雷云直接对设备或导线放电引起的电网电压升高，叫做直击雷过电压。这类 过电压幅值最高，危害性最大。按照雷击设备或线路部位的不同，直击雷过电 压又可分为两种情况：一种是雷击变电站内的避雷针或避雷线时，雷电流通过 雷击点阻抗使该点对地电位大大升高，当雷击点与导线之间的电位差超过电气 设备或导线绝缘的冲击放电电压时，会对导线发生闪络，使其出现过电压，因 为避雷针或避雷线的电位高于导线，故通常称为反击；另外一种是雷击绕过避 雷针或避雷线，直击于电气设备和导线而引起的过电压，通常称之为绕击。变 电站是电力系统的供电的重要环节，如果受到雷电过电压而损坏，将带来大面 积的停电事故，造成很大的经济损失，必须采取更可靠的防雷措施。 对直击雷过电压的防护一般采用避雷针或避雷线，我国运行经验表明，凡按 规程要求正确装设避雷针、避雷线和接地装置的发电厂、变电站，绕击和反击 的事故都非常低，每年每一百个变电站发生绕击或反击约为0 3 次，防雷效果 是很可靠的。 2 2 2 感应雷过电压 设备或导线附近( 几米至几百米) 发生雷云放电时，在设备或导线上由于 静电感应而产生的短时过电压，叫做感应雷过电压，其幅值要比强雷时的直击 雷过电压低得多，通常只对3 5 l ( v 及以下的线路具有危险性。 感应雷过电压包含静电感应和电磁感应两个分量。感应过电压的静电分量 和电磁分量都是在主放电过程中，由统一的电磁场的突变而同时产生的，由于 主放电通道和导线差不多互相垂直，互感不大，电磁感应较弱，因此电磁感应 分量要比静电感应分量小得多，故静电分量将起主要的作用。 感应雷击过电压具有如下的特点： 1 感应雷过电压的极性一定与雷云的极性相反。 2 感应雷过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后才能出现。 3 感应雷过电压的波前平缓( 数微秒到数十微秒) ，波长较长( 数百微秒) 。 4 感应雷过电压在三相导线上同时出现，且数值基本相等，故不会出现相 6 西华大学硕士学位论文 间电位差和相间闪络，如幅值较大，也只能引起对地闪络 2 2 3 流动波过电压 线路的导线上受到雷电直击、反击或产生感应时，雷电波沿着导线向发电 厂升压站或变电站传递，从而使变电站的设备上出现过电压，叫做流动波过电 压。 由于雷击线路比较频繁，因此雷电侵入波是造成变电站雷害事故的主要原 因。侵入变电站的雷电波幅值虽然在一定程度上受到线路绝缘水平的限制，但 因为线路的绝缘水平高于变电站电气设备的绝缘水平，例如2 2 0 k v 线路绝缘子 串的5 0 冲击放电电压为1 2 0 0 k v ，而变压器的全波冲击试验电压只有8 3 5 k v ， 全波多次冲击保证耐压只有8 3 5 1 1 - 7 5 9 k v ；l o k v 线路绝缘的5 0 冲击放电电 压为8 0 k v ，所以必须采用防护措施，以削弱来自线路雷电侵入波的幅值和陡度， 限制变电站内的过电压水平，才能避免电气设备发生雷害事故。 对流动波过电压防护的主要措施是合理确定变电站内装设避雷器的类型、 参数、数量和位置；同时在线路上采取辅助措施，来限制流过避雷器的雷电流 和降低流动波陡度；变电站电气设备上过电压幅值限制在电气设备的雷电冲击 耐受电压以下。 雷电过电压幅值很高，危害最大。防止强大的雷电波侵袭电力系统造成设 备的损伤。人们想出很多的办法，对线路、变电站和旋转电机等制定相关的防 雷措施。 ( 1 ) 防雷保护装置 a 避雷针与避雷线 避雷针与避雷线是防止直击雷最常用的措施，它是由金属制成，高度高于 被保护设备高，具有良好的接地装置。其作用是将雷电吸引到自己身上并安全 导入地中，从而保护了附近比它低的设备和建筑免受雷击。 b 保护间隙和管式避雷器( g x w ) 保护间隙或避雷器并联在电气设备上以保护设备，它们的放电电压低于设 备绝缘的耐压，一旦出现对电气设备有危险的过电压时，保护间隙或避雷器就 会先放电，从而可使电气设备得到保护。 西华大学硕士学位论文 在过电压下保护间隙被击穿后，可能有工频短路电流流过，保护间隙稍有 一些熄灭短路电流的能力，但一般难以使相间短路电弧熄灭，需配以自动重合 闸装置才能保证安全供电。 管式避雷器实质上则是一个具有较高熄弧能力的保护间隙。但也有缺点： 一是它的伏秒特性太陡，难以和被保护设备的伏秒特性理想地配合：二是运行 维护麻烦；三是会产生高幅值的截波，造成变压器的损坏。 c 阀式避雷器( f s 或f z ) 阀式避雷器是由装在密封瓷套中的火花间隙组和非线性电阻( 阀片) 组成。 理想的间隙显然具有平的伏秒特性和强的熄灭工频续流的能力，同时理想的阀 片在大的冲击电流时呈现为小电阻以保证其上的残压足够低；而在冲击电流过 去之后，当加在阀片上的电压是电网的工频电压，阀片应呈现大电阻以限制工 频续流，易于灭弧。阀片的残压一般设计得大致等于间隙的冲击放电电压。 d 磁吹避雷器( f c d 或f c z ) 及复合避雷器 为进一步降低阀式避雷器的切断比及保护比，可以加强火花间隙的磁场以 吹灭工频续流电弧，使灭弧性能得到大幅度的改善；可使用磁吹避雷器或复合 避雷器。磁吹避雷器又叫磁吹阀式避雷器。 e 金属氧化物避雷器( 压敏避雷器) 金属氧化物避雷器是以氧化锌( z n o ) 压敏电阻( 非线性电阻) 组成的。 可不串联火花间隙，具有极强的抗污性能，没有陡波响应特性，对设备的保护 较为可靠；具有通流能力很大，因此动作负载能力较高，残压较低，造价低等 其它优点，使这种避雷器取代其它避雷器已成为大势所趋。应该指出，由于氧 化锌阀体长期接受工频电压的作用，在运行中会有老化现象，需定期监测其泄 漏电流等参数以保证安全。 消弧线圈 在中性点不接地的3 , - - 6 0 k v 的电网中，由于雷击等原因引起单相闪络故障 比重很大，约占6 5 。在单相接地电流为3 0 a ( 在3 1 0 k v 电网时) 或者i o a ( 在3 5 l ( v 及以上电网时) 以下时，单相接地电弧能够自熄，所以不会形成跳 闸事故。如果超过以上电流，则需要在电网中性点和地之间接入消弧线圈，它 的作用是减少单相接地电流，从而促成接地电弧自熄，以防止发展成相间短路 西华大学硕士学位论文 或烧伤导线。 消弧线圈是一个有气隙铁芯的电感l ，其伏安特性相对来说不易饱和。消 弧线圈一般采取过补偿的方式，正常运行时电感电流大于流过对地电容电流。 安装时应分散安装，宜装在零序阻抗较小的设备的中性点上，例如装在有绕 组的变压器或发电机上，且其容量应该与变压器的容量有一定的比例。 h 防雷接地和线路接地装置 电气设备的接地可以分成3 种：工作接地、保护接地及防雷接地，分别要 求接地电阻为0 5 i o d ，l l o q ，l 3 0 q 。对工作接地及保护接地而言，接地 电阻是指在直流或工频电流流过时的电阻；对防雷接地而言，我们感兴趣的是 它在雷电流( 冲击电流) 流过时的电阻，简称冲击接地电阻。 接地电阻及接地网的研究是比较复杂的，很多电力工作者长期进行工作， 在此不再探讨这个问题。 ( 2 ) 送电线路防雷 a 架空线路上的感应过电压 在线路外一定距离s 处落雷情况下，杆塔高l l d ，雷电流i ， 当s 2 时，雷电过感应过电压u g 可写成u 。= 2 5m s 8 当不满足s 2 的条件，t hs 6 5 m 时，u g = 1 2 5 i l n 等- + 但雷击于架空线的塔顶( s = 0 ) 情况下u 。= 去h d = a h d 式中a 恰好在数值 z o 上等于雷电流的平均陡度，单位k a p , s 。 以上是指无避雷线的情况。如果线路架设有接地的避雷线，则导线受到它 的屏蔽，感应过电压就会降低。假设k 为避雷线与导线问的耦合系数，感应过 e g e , u 鲥，则线路上实际感应过电压u g = u g , d ( 1 一k ) 。 b 架空线路上的直击雷过电压 架空线路长度大，暴露在旷野，易受雷击。电网中的事故以线路雷害占大 部分。雷击线路时，沿线路入侵变电所的雷电波，又是造成变电所事故的重要 9 西华大学硕士学位论文 原因。雷击线路时，线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值叫耐雷水平，我国 规程规定了各级电压线路的耐雷水平值和超过该耐雷水平的概率，可见线路防 雷是相对安全的，即允许有一部分大雷电流引起的线路闪络。 c 架空线上防雷措施 在确定线路的防雷方式时，应全面考虑线路的重要程度、雷电活动的强弱、 地形地貌的特点、土壤电阻率的高低等条件，根据技术经济比较的结果因地制 宜，从用合理的保护措施。 架设避雷线是高压线最基本的防雷措施。降低杆塔的接地电阻通常是提高 线路耐雷性能最经济的方法。增加绝缘子串的片数，可使耐雷水平增大一些， 但这样做不仅增大了绝缘费用，而且增大了杆塔尺寸，因此一般不采用这种办 法来改善防雷，只是在高海拔地区可以考虑增加一两片绝缘子。 直击雷过电压要比感应雷过电压( 一般不超过3 0 0 , - 4 0 0 k v ) 厉害。因此高 压线路防雷主要是防直击雷。使用避雷线和避雷针可保护导线不受或少受雷击； 改善杆塔的接地电阻特殊情况下，可加耦合地线或适当加强绝缘，或在个别杆 塔上用避雷器，使雷击杆塔或避雷线时减少绝缘发生闪络；减小绝缘上的工频 电场强度，或在电网中性点采用不直接接地的方式，使当绝缘发生冲击闪络时， 尽量减小冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率；可采用自动重合闸装置或双回 路以及环网供电，即使跳闸也不中断电力的供应。 按电压等级来说：2 2 0 5 0 0 k v 线路应沿全线架设避雷线，3 3 0 5 0 0 k v 应采 用双避雷线，3 3 0 k v 线路保护角应在2 0 度以下，5 0 0 k v 线路保护角应在1 0 1 5 度以下甚至负的保护角：至于3 5 k v 及以下的线路，因绝缘很弱，装避雷线的 效果不大，其防雷是靠消弧线圈、环网供电以及自动重合闸来解决的。各级电 压线路均应尽量装设自动重合闸装置。 ( 3 ) 变电站防雷 变电站是电力系统的枢纽，一旦雷击损坏，影响严重，因此要求有可靠的 防雷措施。变电站雷害来源：雷直击变电站，沿线路传来的过电压波。 a 发、变电站直击雷保护 发、变电站防雷直击用避雷针，装针后只有在绕击、反击或感应雷时会发 生事故。一般须考虑避雷针安装和反击的问题，这里不再敖述。 l o 西华大学硕士学位论文 b 发、变电站的雷电侵入波过电压 因为雷击线路的概率远比雷直击发、变电站的多，所以沿线路侵入发、变 电站的过电压行波是很常见的。线路绝缘水平u 5 0 要比变压器或其他设备的冲 击试验电压高得多，所以发、变电站对入侵波的保护十分重要。发、变电站所 有的设备绝缘应受到避雷器的可靠保护。不需要用降低重要性差的设备( 如刀 闸) 绝缘水平的方法来保护重要性大的设备( 如变压器) ，也不需要用降低全部 线路绝缘的办法来保护发、变电站。 当雷电波浸入变电所时，设备上会受到冲击电压的最大值 u m 戤= 0 8 7 u 5 + ( 2 a x l x k ) v 】，式中0 8 7 为衰减系数，u 5 为避雷器残压，l 为 避雷器与被保护设备间距，k 为修正系数，a 为斜角波陡度，v 为雷电波速。通 过o 8 7u j 3 确定避雷器与被保护设备间最大距离l m ，u j 3 为三次截波耐压值。 重要变电站的雷电波入侵保护应通过计算机。 c 变电站的进线保护 要使避雷器能可靠地保护电气设备，必须设法使避雷器电流幅值i b l 不超 过5 k a ( 3 3 0 5 0 0 k v 系统为1 0 k a ) ，而且必须保证来波陡度a 不超过一定的允 许值。对3 5 1 1 0 k v 无避雷线的线路来说，如果当雷击变电站附近的导线时， 流过避雷器的电流显然超过5 k a ，而且陡度会超过允许值。所以在这种线路靠 近变电站的一段进线上必须加装避雷线，这样在这一段避雷线上雷绕击或反击 导线的机会就会大大减少，这段导线就是进线段，其长度为1 - 2 k m 。在进线段 以外落雷时，由于进线段导线的电晕损耗，使i b l 受到限制，而且沿导线的来 波陡度a 也将由于冲击电晕作用而大为降低，此外导线及大地的电阻也对波的 衰减变形会有一定的影响。 ( 4 ) 旋转电机防雷 旋转电机( 发电机、调相机、变频机和电动机) 的防雷要比变压器防雷困 难得多。有的电机非常重要，要求防雷可靠，例如大型发电机是电力系统的心 脏，一旦被雷击坏，损失极大。发电机雷击短路时如将定子铁芯烧损，修复起 来比较困难。 电机的出厂冲击耐压值只有同级变压器的1 3 左右。这是因为一是电机绕 组不像变压器那样浸在油中，而且在嵌入槽中时绝缘可能擦伤或产生气隙，二 西华大学硕士学位论文 来也不可能变压器那样采取电容环等措施改善冲击电压分布，所以一般电机绕 组绝缘的冲击系数很低，接近于l ( 变压器的冲击系数2 3 ) 。电机绝缘易老化， 因为它在运行中容易受潮，受脏污以及受臭氧等侵蚀，同时又经常受到机械力 的作用( 如振动、短路电流电动力以及热胀冷缩的作用) 。电机绝缘( 如云母绝 缘) ，特别在导线出槽处，由于电场极不均匀，所以每逢过电压作用后，该处易 受一些轻微损伤，日久积累可能发生击穿。电机预防试验的交流耐压只有1 5 u 。， 直流耐压为2 5 u e 。所以严格来说旧电机的冲击耐压只有( 1 5 2 2 5 ) u ，。 避雷器的冲击放电电压残压不够低。例如保护电机用的磁吹避雷器f c d ， 其3 k a 下的残压u 3 只能勉强和电机出厂时的耐压值相匹配，如改用目前生产 朐压敏避雷器，则勉强能与运行的直流耐压值相匹配。而且要求来波陡度限制 得很低，一般保证a 5 k v l as 才行。如能保证a 2 l ( w l as ，雷击中性点就不需 要接地保护，否则应在中性点上加装额定电压为相电压的磁吹或普通阀式避雷 器。 a 直配电机( 直接联于架空送电线的电机) 的防雷 磁吹避雷器( 压敏避雷器) 是限制从线路侵入的雷电过电压的主要元件。 电容器是降低来波陡度的元件，它能有效地限制感应过电压的幅值。电抗器和 电缆段与管式避雷器联合作用能保证磁吹避雷器冲击电流不超过3 k a 的有效措 施。与变电站防雷相比较，变电站装有避雷显得进线段的作用此时已被前面四 者取代。这是因为配电线路( 3 1 0 k v ) 的绝缘水平很低，因为避雷线耐雷水平 并不高，会经常发生反击，所以防雷就不采用有避雷线的进线段。 b 非直配发电机防雷保护 经变压器送电的发电机在防雷上比直配电机可靠。一般的防雷措施，变压 器无论是y o 接线方式还是v 接线方式，都应在电机侧装磁吹避雷器，以 限制来波的静电感应分量，同时限制当电机侧带一相接地故障运行时来波的电 磁感应分量。 ( 5 ) 雷电的主要参数 雷击电力系统形成的雷电压波形幅值与雷电流和传输中波阻抗有关。雷电 压波幅从数十千伏到数百千伏，可按雷电流和波阻抗算得。 雷电压和雷电流的波形大多是单极性，即为不振荡的冲击波。通常把幅值 1 2 西华大学硕士学位论文 上升的时间称之为波头；把幅值由最大值降低到一半时所需的时间称之波尾， 持续时间称之为波长。通常在高电压试验中，用来代表雷电压的标准冲击电压 波是1 2 5 0 t s ，即波头为1 2 雕，波尾为5 0 p s 。代表雷电流的标准冲击电流 波是1 0 2 0 u s 的波，即波头为1 0 9 s ，波尾为2 0 9 s 。雷电流或雷电压在波头部 分上升的速度称为波头陡度，即每微秒幅值增加多少，单位是k a , t t s 或k v z s 。 2 3 内部过电压【9 】【1 1 】【4 6 】 电力系统内部过电压是指电力系统由于断路器操作、故障或其他原因，使 系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量的转化或传递所造成的电压升高。 系统参数变化的原因是多种多样的，因此内部过电压的幅值、振荡频率以 及持续时间不尽相同。通常可按产生原因将内部过电压分为操作过电压及暂时 过电压。操作过电压即电磁过渡过程中的过电压，而暂时过电压包括工频电压 升高和谐振过电压。若以其持续时间长短区分，一般持续时间在0 1 秒( 五个 工频周期) 以内的称为操作过电压，持续时间长的过电压则称为暂时过电压， 它是在一定位置上的相对地或相间的过电压，具有一定的振荡频率，由于无阻 尼或具有弱阻尼，因此持续时间较长。 内部过电压的能量来自电网本身，是在电网额定电压基础上产生的，故其 幅值大小与电网的工作电压大致上有一定的比例关系，因而往往用工作电压的 倍数来表示。内部过电压倍数是指内部过电压峰值与该处工频相电压的幅值之 比。内部过电压的倍数与电网结构、系统容量及参数、中性点接地方式、断路 器性能、母线上出线回数及电网运行接线、操作方式的等因数有关，并且具有 明显的统计性。 2 3 1 工频电压升高 在电力系统中，由于运行方式有时在操作或故障下突然改变而出现幅值超 过最大运行相电压幅值、频率为工频或接近工频的过电压，称为工频电压升高。 几种常见的工频电压升高是：空载长线路的电容效应引起的电压升高；不对称 短路时正常相上的工频电压升高；甩负荷引起发电机加速而产生的电压升高等。 工频电压升高一般来说对系统中正常绝缘的电气设备是没有危险的，但伴 西华大学硕士学位论文 随着工频电压升高而同时发生的操作过电压会达到很高的幅值，在这种情况下， 工频电压升高就直接影响操作过电压的数值。另一方面，工频电压升高又是决 定保护电器工作条件的重要因素，例如避雷器的最大允许工作电压就是按照电 网中单相接地时非故障相上的工频电压升高来确定的，它直接影响到避雷器的 保护特性，影响到避雷器的安全可靠运行，对系统绝缘水平有重大影响。由于 工频电压升高的持续时间长，所以系统中采用并联电抗器或无功补偿装置等措 施来加以限制。 2 3 2 谐振过电压 电力系统中存在着许多电感和电容元件，如电力变压器、互感器、发电机、 消弧线圈、电抗器、线路电感等均可作为电感元件，而线路导线对地和相间电 容、补偿用的并联和串联电容器组、高压设备的杂散电容均可作为电容器。当 系统进行操作或发生故障时，这些电感、电容元件可形成各种振荡回路，在一 定的能源作用下，会产生串联谐振现象，导致系统中某些部分( 或元件) 出现 严重的谐振过电压。谐振过电压的持续时间要比操作过电压长得多，甚至可稳 定存在，直到破坏谐振条件为止。谐振过电压幅值可能很大，理论上可以达到 无穷，实际数值小于3 倍。 f 1 ) 线性谐振 谐振回路由不带铁芯的电感元件( 如输电线路的电感、变压器的漏感) 或 励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件( 如消弧线圈，其铁芯中有气隙) 和系 统中的电容元件所组成。在正弦电源作用下，当系统自振频率与电源频率相等 或接近时，可能产生线性谐振。 a 消弧线圈产生的线性谐振 类似于间歇性接地，接有消弧线圈的系统，只要让消弧线圈工作于脱谐度 不大的状态，即可使补偿网络对地容抗大于感抗，当故障时如断路器非全相动 作、线路发生单相或两相断线时，容抗更大，不满足谐振条件，不会发生严重 的过电压。 b 传递过电压 当电网中发生不对称接地故障、断路器非全相或不同期动作时，网内可出 1 4 西华大学硕士学位论文 现明显的零序电压和三相电流不对称，通过电容的静电耦合和互感的电磁耦合， 在相邻线路之间或变压器绕组之间，会产生工频电压的传递现象。当接有消弧 线圈或电压互感器等接地的铁磁元件时，尚可能组成串联谐振回路，产生线性 谐振或铁磁谐振。这种过电压具有工频稳态性质，传递过来的零序电压将与原 有的正序电压叠加，其结果是造成三相对地电压的不平衡，出现相高两相低、 两相高一相低、甚至三相电压同时升高的现象。严重时会损坏避雷器或造成绝 缘闪络、击穿事件。 ( 2 ) 铁磁谐振过电压 线性谐振的参数条件钆= 1 a t 2 ，铁磁谐振则o j l 。 1 a , c ，对于一定的 l o 值( l o 为铁芯线圈的初始电感) ，在很大的c 值范围内( 即c 1 o ) 2 l 。) 都 有可能产生谐振。有可能是工频的谐振，也有可能是高频谐波和分频谐波，如 2 、3 、5 次等高频谐波或1 2 ，1 3 ，1 5 次等分频谐波。 a 在电力系统中，因导线的折断、断路器非全相动作等严重的运行状态出现的 铁磁谐振过电压，都属于断线谐振过电压。现象：系统中性点位移、负载变压 器相序可能反转、绕组电流急剧增加、铁芯有响声、导线有电晕声，多会发生 传递过电压。非全相运行时，可能组成多种多样的串联谐振回路，这些回路中 的电感是空载或轻载运行的负载变压器的励磁电感以及消弧线圈的电感等。电 容是导线对地和相间的部分电容，电感线圈对地杂散电容等。在一定的参数配 合激发条件下，可能会产生基频、分频或高频谐振。基频谐振时，会出现三相 对地电压不平衡，例如一相升高、两相降低；或两相升高、一相降低；或三相 同时升高的现象。在负载变压器侧会使三相绕组电压的负序分量占主要的成分， 造成相序反倾。实践证明，有可能产生2 ，3 ，5 次高频谐波。 b 系统中出现某些扰动，使电压互感器三相电感饱和程度不同时，电网中性点 就有较高的电位电压，也可能激发谐振过电压。现象：电压互感器的突然合闸， 使某一相、两相甚至三相绕组内出现巨大的涌流；由于雷电或其他原因，线路 瞬间单相弧光接地，使健全相电压突然升至线电压，而故障相在接地消失时又 可能有电压的突然上升，在这些暂态中会产生很大的涌流，传递过电压例如高 压绕组侧发生单相接地或不同期合闸，低压侧有传递过电压使电压互感器铁芯 饱和，出现中性点偏移现象。 西华大学硕士学位论文 虚幻接地现象是电压互感器饱和引起的工频位移过电压的标志，出现两相 升高、一相降低( 有时接近零电位) 。同时，在非线性谐振回路里，也存在分频 谐波和高频谐波，即出现谐波谐振过电压，有时它们可能长久自保持，持续一 段时间后自行消失。电压互感器饱和引起的中性点工频电压位移或谐振显然都 会使网络出现零序电压，只是零序电压的频率不同而已。电压互感器的开口三 角形绕组是专门为反映零序电压而设置的，所以，开口三角形绕组能全面反映 电压互感器饱和引起过电压零序电压大小和频率。 谐振过电压幅值可能很大，理论上可以达到无穷。分频谐振由于频率为工 频的一半，互感器的励磁阻抗下降了一半，使铁芯元件的励磁电流大大增加， 互感器严重饱和，过电压被限制了，实际数值小于2 倍，除非有弱绝缘设备， 一般不危险的。对于中性点不接地系统，选用励磁特性较好的电磁式电压互感 器，或用电容分压式电压互感器，并在零序回路中加阻尼阻抗，同时增加对地 电容或在发生谐振时投入消弧线圈，从而避免谐振消除谐振过电压。 2 3 3 操作过电压 操作过电压是由于“操作”引起电网中产生的电压升高。“操作”使系统的运 行状态发生突然变化，导致系统内部电感元件和电容元件之间电磁能量的相互 转换，这个转换常常是强阻尼的、振荡性的过渡过程。因此操作过电压不同于 工频电压升高和谐振过电压，它具有幅值高、存在高频振荡、强阻尼以及持续 时间短等特点，一般地，它的持续时间约在2 5 0 , - 、一, 2 5 0 0 1 t s 之间。 电力系统中常见的操作过电压有单相间歇电弧接地过电压、空载变压器分 闸过电压、空载线路合闸过电压、空载线路分闸过电压和解列过电压等。主要 防护措施有：装设并联电抗器、采用带有并联电阻的断路器以及磁吹阀型或金 属氧化物避雷器( m o a ) 等。在中性点非直接接地系统中，主要是弧光接地过 电压，其防护措施是使系统中性点经消弧线圈接地。 ( 1 ) 单相间歇电弧接地过电压 电力系统中大多数对地短路均伴有电弧的发生。在中性点接地的电网中， 接地短路电流很大，可危及电气设备，因此继电保护将立即使断路器跳闸。而 在中性点绝缘或经消弧线圈接地的电网中，接地短路电流对输电设备不构成危 1 6 西华大学硕士学位论文 险，因此不需要立刻跳闸，发生的电弧可能存在相当长的时间。 当中性点不接地电网中发生单相接地故障时，如果单相接地电流较大，接 地点的电弧不能自动熄灭，电流值又不至于大到形成稳定电弧的程度( 几百安 培) ，这时将会出现接地电弧时燃时灭的不稳定状态，这种间歇性电弧将导致系 统中电感电容间的电磁振荡过程，造成间歇电弧接地过电压。 ( 2 ) 切断空载变压器过电压 系统中利用断路器切除空载变压器、并联电抗器及电动机等都是常见的操 作方式，它们属于切断感性小电流的情况。当用断路器开断感性负荷时，当流 过感性负荷的电流在达到自然零值之前被断路器强行切断，电弧熄灭，这就是 截流现象。由于电流被截断，从而使储存在电感中的磁场能量转为电场能量而 导致电压的升高，这称为截流过电压。如果截流过电压作用在断路器的触头上， 由于此时触头间距很小，因而容易被击穿，即发生复燃。在复燃的过程中将产 生高频振荡，产生高频振荡过电压。这两种过电压都称为空载变压器分闸过电 压。在实际情况中，这两种电压往往交织在一起，对电力系统中的绝缘产生危 害。图2 2 给出了电流被截流时变压器上的电压波形，图中厶为截断电流，截 断的结果使电流f 迅速下降到零，使回路中电流变化率别坊甚大，则电感上的 压降u ，